PARIS / LONDON (IT BOLTWISE) – Eine bis zu 1.800 Kilometer lange Eiswolke am Marsvulkan Arsia Mons lässt sich nach neuen Simulationen ohne Staubteilchen erklären. Statt Eiskristalle an vorhandenen Kondensationskeimen zu bilden, entsteht das Eis offenbar direkt aus Wasserdampf. Grundlage sind ein regionales Mars-Wettermodell und wiederholte Aufnahmen der Raumsonde Mars Express. Damit rückt ein Mechanismus namens homogene Nukleation auf einen Planeten, auf dem er bisher vor allem theoretisch galt.
Am Marsfelsen Arsia Mons zieht sich im südlichen Frühling und Sommer morgens eine helle Eiswolke entlang, die selbst im Tagesverlauf einen klaren Rhythmus zeigt. Bereits bekannte Beobachtungen bringen sie mit aufsteigender Luft direkt am Vulkan in Verbindung – doch beim genauen Entstehungsmechanismus blieb lange der entscheidende Baustein offen. Die Wolke wirkt nicht wie ein lokales Wetterphänomen, das sofort verschwindet: Ihr schmaler Schweif kann bis zu 1.800 Kilometer lang werden und löst sich später wieder auf. Genau diese charakteristische Ausdehnung hat Forscher offenbar lange vor ein Modellierungsproblem gestellt, denn viele Eiswolken-Modelle bilden zunächst Eiskristalle auf vorhandenen Partikeln aus.
Auf der Erde und auch im Mars-Umfeld setzt Wasserdampf für die Bildung von Eiskristallen gewöhnlich an winzigen „Kernen“ an – etwa Staubschwebteilchen oder anderen Aerosolen. Der Grund ist thermodynamisch gut nachvollziehbar: Damit aus Wasserdampf zuverlässig Eis wird, muss die Luft ausreichend abkühlen, und die Keime senken dabei die Energiehürde für die Kondensation. In bisherigen Ansätzen, so wie sie in der neuen Untersuchung neu adressiert werden, fehlte jedoch genau der lange, typische Schweif, wenn man den Prozess weiterhin an solchen Staubkeimen festnag. Mit anderen Worten: Das Modell reproduzierte zwar offenbar Wolkenbildung im Kleinen, aber nicht das dynamische Erscheinungsbild, das beim Mars als AMEC sichtbar wird.
Das Team um Dr. Jorge Hernández-Bernal von der Sorbonne Université hat daher die Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC) mit einem regionalen Mars-Wettermodell neu untersucht und dabei einen anderen Eisbildungsweg ergänzt. Dabei gehen die Forschenden von einer Form der Eisbildung aus, bei der Wasserdampf ohne feste Kondensationskeime direkt zu Eiskristallen wird. Diese spontane Umwandlung ist in der Fachsprache als homogene Nukleation bekannt: Eiskeime entstehen dabei im Prinzip „im Raum“, nicht auf einer vorhandenen Oberfläche. „Bei der AMEC scheint die Wolkenbildung ohne all dieses Material auszukommen. Wasserdampf verwandelt sich ohne Zwischenschritt direkt in eisige Wolkenpartikel. Das ist so, als wü rden sich Kondensationströpfchen mitten im Raum bilden und nicht an einem Fenster. Wir nennen diesen Vorgang homogene Nukleation, und wir haben ihn zuvor noch nie in einer Planetenatmosphäre beobachtet. Das war völlig unerwartet“, erklärt Dr. Jorge Hernández-Bernal.
Dass homogene Nukleation unter realen Bedingungen bisher als höchst unwahrscheinlich galt, liegt an der erforderlichen Übersättigung. Im einfachsten Bild bedeutet das: Die Luft muss deutlich mehr Wasserdampf enthalten, als unter den jeweiligen Bedingungen im Gleichgewicht „zulässig“ wäre. Für Mars-Atmosphären wäre das demnach nicht nur eine Frage der Temperatur, sondern auch der schnellen lokalen Anhebung und des dadurch ausgelösten Abkühlprofils. Im neuen Modell entstehen solche seltenen Bedingungen demnach vor allem zeitweise, wenn Winde den rund 20 Kilometer hohen Vulkankörper umströmen. Die Strömung bildet Wellen in der Atmosphäre aus, wodurch feuchte Luft in kurzer Zeit – innerhalb von Minuten – um mehrere Kilometer angehoben wird. Laut Modell kann sich die Luft dabei innerhalb von etwa zehn Minuten um rund 30 Grad Celsius abkühlen, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit sprunghaft ansteigt.
Diese Kopplung aus Strömungsdynamik und Mikrophysik macht die AMEC für Modellierer besonders interessant. „Wir haben solche Bedingungen auf dem Mars bisher noch nicht beobachtet, aber unser Ergebnis legt nun stark nahe, dass die Luftfeuchtigkeit des Planeten tatsächlich diese extremen Werte erreichen kann“, sagt Dr. Jorge Hernández-Bernal. Entscheidend ist dabei: Die Simulation liefert nicht nur ein „ja, es gibt eine Wolke“, sondern verknüpft das Auftreten der Wolke mit einem plausiblen atmosphärischen Zeitfenster. Zusätzlich wird die Aussage durch den Abgleich mit Beobachtungsdaten gestützt. Als Vergleich dienten Aufnahmen mehrerer Kameras an Bord von Mars Express, wobei vor allem die Lage der Wolke, ihr lang gestreckter Schweif und die Veränderung im Tagesverlauf wichtig waren.
Dass sich der lange Schweif nachbilden lässt, hängt in der Darstellung der Forschenden direkt am neu eingeführten Eisbildungsmechanismus. Frühere Simulationen, die weiterhin ausschließlich die Bildung von Eiskristallen an Staubpartikeln berücksichtigten, konnten die beobachtete Form der AMEC nicht reproduzieren. Erst nachdem homogene Eisbildung in die Rechnungen aufgenommen wurde, entstand im Modell ebenfalls ein langer, schmaler Wolkenschweif. Auch die Frage, warum die Eiskristalle über große Strecken „halten“ und nicht sofort wieder verdampfen, wird damit adressierbar: Wenn die Eiskeime im richtigen Moment und unter den richtigen Übersättigungsbedingungen entstehen, passt das Wachstums- und Transportbild eher zu dem, was Mars Express fotografiert. Allerdings bleibt ein wichtiger Punkt offen: Noch nicht jedes Detail der Simulation stimmt vollständig mit den Bildern überein, und die Ergebnisse liefern nur einen indirekten Hinweis auf die spontane Eisbildung – eine direkte Messung dieses Vorgangs in der Marsatmosphäre steht damit nicht im Raum.
Damit verschiebt sich die Debatte zugleich von der reinen Modell-Neugier hin zu einer breiteren Frage nach dem Potenzial atmosphärischer Phänomene auf anderen Welten. Die Forschenden betonen, dass homogene Nukleation nicht nur ein gedankliches Konstrukt sein könnte, sondern unter geeigneten Bedingungen tatsächlich auftreten kann. Ob das auch an anderen Orten auf dem Mars gilt, wie stark es den Wasserhaushalt beeinflusst und ob sich der Mechanismus möglicherweise auch in oberen Atmosphärenschichten der Erde und der Venus bemerkbar macht, ist jedoch noch offen. „Wir haben bei Weitem nicht so viele Informationen über die Marsatmosphäre wie über die Erdatmosphäre, deshalb ist es ein großer Erfolg für das Modell, die AMEC in diesem Maß nachzubilden“, ergänzt Dr. Jorge Hernández-Bernal. Für die Forschung bedeutet das vor allem: Der Weg zu einem besseren Verständnis der Wolkenmikrophysik auf Planeten führt offenbar über präzisere Kopplungen zwischen atmosphärischer Strömungsdynamik und den Bedingungen, unter denen Wasserdampf zu Eis wird.
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